一種超空泡試驗(yàn)裝置制造方法
【專利摘要】本實(shí)用新型公開了一種超空泡試驗(yàn)裝置，該裝置包含發(fā)射槍、發(fā)射槍保護(hù)罩、龍門架、水箱、水箱底座、空氣壓縮機(jī)、可調(diào)節(jié)貨架、刻度帶、高壓軟管、調(diào)節(jié)閥門等部件。這是采用直接發(fā)射試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷姆绞?，通過模型在水中測(cè)量區(qū)域自由的運(yùn)動(dòng)，采用高速攝像的測(cè)量方法和圖像處理技術(shù)，從而獲得試驗(yàn)?zāi)Ｐ椭車鲌?chǎng)及其結(jié)構(gòu)的試驗(yàn)裝置，主要用于進(jìn)行水下運(yùn)動(dòng)物體自然超空泡形成及其減阻機(jī)理的研究。
【專利說明】一種超空泡試驗(yàn)裝置

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及流體力學(xué)領(lǐng)域，尤其是涉及一種超空泡試驗(yàn)裝置。

【背景技術(shù)】
[0002]水下運(yùn)動(dòng)物體的減阻一直都是各個(gè)國家研究的重點(diǎn)，目前水下運(yùn)動(dòng)物體阻力減少的方法很多，包括超空泡減阻方法。當(dāng)水下運(yùn)動(dòng)體的外表面被空泡包裹，只有小部分與水直接接觸時(shí)，其所受的流體阻力顯著下降，運(yùn)動(dòng)速度大幅提高，這種利用空泡來實(shí)現(xiàn)減阻的技術(shù)就是超空泡技術(shù)。超空泡運(yùn)動(dòng)體的總阻力系數(shù)比常規(guī)全沾濕運(yùn)動(dòng)體的阻力系數(shù)可降低一個(gè)數(shù)量級(jí)。阻力的大幅度降低將帶來水中運(yùn)動(dòng)體運(yùn)動(dòng)速度的大幅提高。
[0003]俄羅斯、美國、德國等發(fā)達(dá)國家都非常重視超空泡形成及其減阻機(jī)理研究。常規(guī)風(fēng)洞內(nèi)的流動(dòng)介質(zhì)是空氣，無法模擬水汽氣多相流動(dòng)，而水洞中的水流速度很低，根本無法產(chǎn)生自然超空泡，這些設(shè)備都極大的制約了水下運(yùn)動(dòng)體減阻研究的發(fā)展。
[0004]目前該類試驗(yàn)均采用水平發(fā)射的試驗(yàn)裝置，但是水平試驗(yàn)裝置只能往水平方向發(fā)射模型用于模擬全水下運(yùn)動(dòng)物體的水平航行，無法模擬入水狀態(tài)，而且模型撞擊入水時(shí)會(huì)出現(xiàn)水排出的現(xiàn)象，影響入水時(shí)的流場(chǎng)均勻性和穩(wěn)定性，使得試驗(yàn)結(jié)果不能完美呈現(xiàn)。
實(shí)用新型內(nèi)容
[0005]本實(shí)用新型的目的是提供一種超空泡試驗(yàn)裝置，采用高壓空氣驅(qū)動(dòng)小尺寸試驗(yàn)?zāi)Ｐ停瑢⒃囼?yàn)?zāi)Ｐ椭苯影l(fā)射入水，使模型表面實(shí)現(xiàn)自然超空泡，通過高速攝像系統(tǒng)及其圖像處理軟件，對(duì)獲得的模型表面超空泡流場(chǎng)進(jìn)行判讀和分析，計(jì)算形態(tài)和阻力等各種參數(shù)，以滿足自然超空泡減阻試驗(yàn)研究的目的。
[0006]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型采用如下技術(shù)方案:
[0007]—種超空泡試驗(yàn)裝置，包括發(fā)射槍、發(fā)射槍保護(hù)罩、龍門架、水箱、水箱底座、空氣壓縮機(jī)、高速攝像機(jī)、可調(diào)節(jié)支架和高壓軟管，所述發(fā)射槍通過高壓軟管與空氣壓縮機(jī)連接，發(fā)射槍固定在龍門架頂部，槍口向著水箱中央水面位置；所述水箱固定在水箱底座上，水箱底座上設(shè)置有滾輪和調(diào)節(jié)螺栓，使得水箱能沿著水平方向或垂直方向運(yùn)動(dòng)；所述高速攝像機(jī)設(shè)置在可調(diào)節(jié)支架上，所述發(fā)射槍的啟動(dòng)裝置與高速攝像機(jī)的觸發(fā)開關(guān)通過控制系統(tǒng)連接在一起，實(shí)現(xiàn)發(fā)射與攝像采集同步，所述發(fā)光刻度線一端連接在發(fā)射槍槍口外表面，刻度線另一端連接一個(gè)鉛錐球垂直進(jìn)入水箱。
[0008]在上述技術(shù)方案中，所述發(fā)射槍為高壓空氣發(fā)射槍，所述高壓空氣發(fā)射槍為卷釘槍。
[0009]在上述技術(shù)方案中，所述發(fā)射槍的的槍管上設(shè)置有泄壓孔。
[0010]在上述技術(shù)方案中，所述發(fā)射槍槍管距發(fā)射槍口 20mm內(nèi)的管壁上設(shè)置有若干個(gè)泄壓孔。
[0011]在上述技術(shù)方案中，發(fā)射槍管內(nèi)通道的側(cè)壁上設(shè)置環(huán)狀模型固定點(diǎn)。
[0012]在上述技術(shù)方案中，所述發(fā)射槍管內(nèi)通道的上部設(shè)置有環(huán)狀模型固定點(diǎn)。
[0013]在上述技術(shù)方案中，所述環(huán)狀模型與槍管內(nèi)側(cè)壁之間采用膠粘的方式固定。
[0014]在上述技術(shù)方案中，所述環(huán)狀模型尾緣與該環(huán)狀固定點(diǎn)進(jìn)行粘結(jié)。
[0015]在上述技術(shù)方案中，所述可調(diào)節(jié)支架設(shè)置有三層，每層支架的距離為可調(diào)節(jié)。
[0016]在上述技術(shù)方案中，所述設(shè)置在可調(diào)節(jié)支架上的攝像機(jī)有三部，每一部攝像機(jī)各自設(shè)置在一層支架上。
[0017]本技術(shù)方案利用空氣壓縮機(jī)產(chǎn)生的高壓空氣驅(qū)動(dòng)小尺寸射彈實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，將其垂直發(fā)生入水,依靠射彈在入水時(shí)的較高速度從而產(chǎn)生自然超空泡,沿射彈實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦\(yùn)動(dòng)方向?qū)?shí)驗(yàn)水箱進(jìn)行尺寸標(biāo)定，采用高速攝像實(shí)驗(yàn)技術(shù)對(duì)超空泡形態(tài)進(jìn)行拍攝，利用圖像判讀技術(shù)計(jì)算射彈入水前的運(yùn)動(dòng)速度和在水中的運(yùn)動(dòng)速度，為進(jìn)一步分析射彈入水的超空泡減阻特性打下基礎(chǔ)。
[0018]利用軟件編寫高速攝像系統(tǒng)的圖像判讀和處理程序，對(duì)實(shí)驗(yàn)所獲得的高速攝像照片進(jìn)行定量的處理。首先，根據(jù)射彈實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦\(yùn)動(dòng)方向上的標(biāo)尺刻度，標(biāo)定實(shí)驗(yàn)照片像素和射彈實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ臀灰浦g的關(guān)系。然后，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行射彈實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦\(yùn)動(dòng)速度和加速度等參數(shù)的計(jì)算。最后，根據(jù)前面獲得的各種參數(shù)，對(duì)入水射彈實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷臏p阻特性進(jìn)行分析
[0019]綜上所述，由于采用了上述技術(shù)方案，本實(shí)用新型的有益效果是:
[0020]該裝置的優(yōu)點(diǎn)就是可以直接模擬射彈的入水狀態(tài)，不存在水排出的現(xiàn)象，也沒有流場(chǎng)受到外界干擾的問題，而且發(fā)射槍噴出的高壓空氣提前從槍管側(cè)壁泄出，不會(huì)直接射到水面上影響試驗(yàn)流場(chǎng)，保證了測(cè)量區(qū)域的穩(wěn)定性。模型發(fā)射沒有采用彈托方式，可以避免彈托入水對(duì)試驗(yàn)流場(chǎng)的破壞和干擾，保證了試驗(yàn)流場(chǎng)的穩(wěn)定性。試驗(yàn)?zāi)Ｐ桶l(fā)射與高速攝影采集同步，可以大大減少浪費(fèi)的照片存儲(chǔ)空間，從而大大延長(zhǎng)有效的拍攝記錄時(shí)間，這樣相應(yīng)可將照片的分辨率調(diào)至最大，使拍攝的效果更加完美。
[0021]通過上述技術(shù)方案，獲得了良好的超空泡形態(tài)和阻力測(cè)量試驗(yàn)結(jié)果，該結(jié)果得到了國內(nèi)外相關(guān)專業(yè)的學(xué)者和專家認(rèn)可，是目前國內(nèi)外最好的試驗(yàn)結(jié)果。這種試驗(yàn)裝置為開展自然超空泡的機(jī)理研究提供了一種較好的解決方案和試驗(yàn)平臺(tái)。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0022]本實(shí)用新型將通過例子并參照附圖的方式說明，其中:
[0023]圖1是本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)側(cè)視圖；
[0024]圖2是本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)立體示意圖；
[0025]圖3是利用本實(shí)用新型裝置實(shí)驗(yàn)?zāi)M出不同時(shí)刻的自然超空泡形態(tài)及其周圍流場(chǎng)的系列圖；
[0026]其中:1是發(fā)射槍，2是發(fā)射槍保護(hù)罩，3是龍門架，4是水箱，5是水箱底座，6是空氣壓縮機(jī)，7是可調(diào)節(jié)支架，8是高壓軟管，9是調(diào)節(jié)閥門。

【具體實(shí)施方式】
[0027]如圖1、圖2所述，本實(shí)用新型所述試驗(yàn)裝置包含發(fā)射槍、發(fā)射槍保護(hù)罩、龍門架、水箱、水箱底座、空氣壓縮機(jī)、可調(diào)節(jié)支架、刻度帶、高壓軟管、調(diào)節(jié)閥門等部件。
[0028]其中:發(fā)射槍米用高壓空氣發(fā)射槍,一是在距發(fā)射槍口 20mm內(nèi)的管壁上開一系列泄壓孔，使得模型發(fā)射時(shí)高壓空氣不會(huì)沖擊到水面，防止高壓空氣影響試驗(yàn)流場(chǎng)；二是將發(fā)射槍的觸發(fā)機(jī)構(gòu)與高速攝像系統(tǒng)的觸發(fā)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)硬件連接，使得模型發(fā)射能與高速攝像的采集同步；三是在發(fā)射槍管內(nèi)通道上部側(cè)壁設(shè)置環(huán)狀模型固定點(diǎn)，采用膠粘的方式將試驗(yàn)?zāi)Ｐ臀簿壟c該環(huán)狀固定點(diǎn)進(jìn)行粘結(jié)(如果固定點(diǎn)設(shè)置在槍管內(nèi)通道下部側(cè)壁，必須將試驗(yàn)?zāi)Ｐ皖^部與其粘結(jié)，將會(huì)影響試驗(yàn)?zāi)Ｐ皖^部的外形，從而影響試驗(yàn)的結(jié)果；如果固定點(diǎn)設(shè)置在槍管內(nèi)通道中部側(cè)壁，必須將試驗(yàn)?zāi)Ｐ椭胁颗c其粘結(jié)，不僅會(huì)影響試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷耐庑?，而且?huì)影響試驗(yàn)?zāi)Ｐ桶l(fā)射的壓力，從而影響試驗(yàn)效果，設(shè)置在內(nèi)通道上部側(cè)壁，不僅在安裝模型時(shí)操作方便，而且不影響試驗(yàn)?zāi)Ｐ屯庑危芷鸬矫芊庾饔?，使得發(fā)射時(shí)高壓空氣能完全作用于試驗(yàn)?zāi)Ｐ臀膊?，起到固定試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷淖饔谩?br> [0029]發(fā)射槍保護(hù)罩采用一個(gè)薄型鋼板方盒結(jié)構(gòu)，其中側(cè)面開有一個(gè)活動(dòng)門，側(cè)面活動(dòng)門是為了方便試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷陌惭b和取出。在正對(duì)發(fā)射槍口位置，保護(hù)罩開有一個(gè)比試驗(yàn)?zāi)Ｐ椭睆礁蟮膱A孔，使用一塊旋轉(zhuǎn)鋼板在試驗(yàn)前和試驗(yàn)后擋住該圓孔，起安全保護(hù)作用，防止誤操作時(shí)試驗(yàn)?zāi)Ｐ桶l(fā)射傷人
[0030]龍門架采用兩根豎粱加一根橫梁的支架結(jié)構(gòu)，兩側(cè)豎粱下部固定在地面上，中間橫梁與兩側(cè)豎粱固結(jié)，用于安裝和固定發(fā)射槍及其保護(hù)裝置。
[0031]水箱采用一個(gè)圓形有機(jī)玻璃容器，透光率超過90%，主要是承載試驗(yàn)所需的液態(tài)水，試驗(yàn)?zāi)Ｐ捅话l(fā)射進(jìn)入水中進(jìn)行試驗(yàn)。
[0032]水箱底座采用一個(gè)既可以固定也可以移動(dòng)的可調(diào)節(jié)高度平臺(tái)，一是采用螺栓調(diào)節(jié)的方式，可以任意調(diào)節(jié)平臺(tái)四個(gè)腳的高度，方便水平面的調(diào)節(jié)；二是采用萬向輪的方式，可以將螺栓升高懸空，并將四個(gè)萬向輪放下，可方便試驗(yàn)裝置的水平移動(dòng)。
[0033]空氣壓縮機(jī)采用普通雙缸空氣壓縮機(jī)，最大壓力達(dá)到0.8Mpa，主要是產(chǎn)生試驗(yàn)所需的高壓空氣?？諝鈮嚎s機(jī)通過高壓軟管、調(diào)節(jié)閥門與發(fā)射槍體進(jìn)行連接，形成一個(gè)試驗(yàn)?zāi)Ｐ桶l(fā)射回路。
[0034]可調(diào)節(jié)架采用一個(gè)有三層升降板的貨架，放置于水箱旁邊，主要用于高速相機(jī)的放置，每一層升降板可以上下調(diào)節(jié)，可以調(diào)整相機(jī)的上下左右位置。
[0035]高壓軟管采用耐高壓的柔性軟管，用于將空氣壓縮機(jī)產(chǎn)生的高壓空氣傳輸至發(fā)射槍體內(nèi)。
[0036]調(diào)節(jié)閥門是用于將壓縮機(jī)產(chǎn)生的高壓空氣進(jìn)行減壓，以滿足試驗(yàn)?zāi)Ｐ桶l(fā)射的壓力要求。
[0037]對(duì)焦刻度帶是從發(fā)射槍口垂直放置在水箱中的可發(fā)光刻度線，主要是用于試驗(yàn)前對(duì)高速攝像系統(tǒng)的鏡頭進(jìn)行調(diào)焦，以獲得清晰的拍攝效果。傳統(tǒng)的對(duì)焦基本上都是采用鏡頭與水箱表面對(duì)焦，但是模型如水后的軌跡和水箱外表面還存在一定距離，會(huì)導(dǎo)致拍攝出的試驗(yàn)效果出現(xiàn)誤差，因此本實(shí)用新型中之間采用與槍口位置保持一致的發(fā)光刻度線，使得鏡頭的對(duì)焦點(diǎn)能在槍口的平行發(fā)射線上，即時(shí)模型在水中的軌跡出現(xiàn)一定的偏差，也比鏡頭對(duì)焦點(diǎn)在水箱表面的誤差小，最大精度的還原試驗(yàn)過程。
[0038]具體實(shí)驗(yàn)過程
[0039]首先將發(fā)射槍體和保護(hù)罩進(jìn)行連接，之后將其固定在龍門架的橫梁中央，將水箱放置于水箱底座的中央，通過移動(dòng)水箱底座的位置，將發(fā)射槍口對(duì)準(zhǔn)水箱中央位置的圓心位置。將空氣壓縮機(jī)和高壓軟管、空氣過濾器、調(diào)節(jié)閥等進(jìn)行連接，形成發(fā)射回路。將三臺(tái)高速相機(jī)放置于可移動(dòng)貨架的升降板上，調(diào)節(jié)每層升降板的位置和高度，使相機(jī)對(duì)準(zhǔn)每個(gè)測(cè)量的位置。具體的試驗(yàn)操作流程如下:
[0040]檢查模型發(fā)射裝置和各連接部位的螺釘，確保每個(gè)螺釘都緊固；
[0041]查看壓縮機(jī)的儲(chǔ)氣罐壓力表，如有壓力則排空；
[0042]關(guān)閉減壓閥，連接模型發(fā)射裝置與空氣壓縮機(jī)間的供氣管路；
[0043]打開模型發(fā)射裝置艙門，檢查艙中是否有模型，如有則拆除；
[0044]減壓閥前管路耐壓試驗(yàn):開啟空氣壓縮機(jī)、打開供氣閥門，查看管路連接處是否漏氣，如有漏氣，則關(guān)閉供氣閥門，利用減壓閥濾水器泄壓并處理泄露部位；試驗(yàn)時(shí)，壓力逐步增加，依次為 0.3 MPa、0.5MPa 和 0.7MPa ；
[0045]減壓閥后管路耐壓試驗(yàn):緩慢調(diào)節(jié)減壓閥(順時(shí)針為開閥、逆時(shí)針為關(guān)閥)，查看模型發(fā)射裝置和管路連接處，如有漏氣則關(guān)閉供氣閥門和減壓閥，利用減壓閥濾水器泄壓并處理泄露部位，試驗(yàn)壓力最大值為0.5MPa ；
[0046]關(guān)閉供氣閥門和減壓閥，利用減壓閥濾水器泄壓，待減壓閥壓力表指針回零后，安裝試驗(yàn)?zāi)Ｐ停?br> [0047]打開供氣閥門，調(diào)節(jié)減壓閥使閥后壓力升至試驗(yàn)要求值；
[0048]佩戴安全眼鏡，按照試驗(yàn)指揮人員口令扣動(dòng)模型發(fā)射裝置扳機(jī)發(fā)射模型；
[0049]按照試驗(yàn)計(jì)劃，每發(fā)射一次模型，重復(fù)步驟7、8、9 ;
[0050]試驗(yàn)結(jié)束后，關(guān)閉空氣壓縮機(jī)，泄放模型發(fā)射裝置、供氣管路和空氣壓縮機(jī)儲(chǔ)氣罐中的壓縮空氣；
[0051]待空氣壓縮機(jī)和減壓器的壓力表回零，拆卸供氣管路，存放空氣壓縮機(jī)及相關(guān)設(shè)備。
[0052]如圖3所示，利用本實(shí)用新型所述裝置在水中模擬出的超空泡的軌跡圖，從該圖中可以看出，獲得的自然超空泡形狀和軌跡都相當(dāng)?shù)耐昝溃c同類實(shí)驗(yàn)裝置相比，遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于同類實(shí)驗(yàn)裝置的試驗(yàn)結(jié)果和效果。
[0053]本實(shí)用新型并不局限于前述的【具體實(shí)施方式】。本實(shí)用新型擴(kuò)展到任何在本說明書中披露的新特征或任何新的組合，以及披露的任一新的方法或過程的步驟或任何新的組口 ο
【權(quán)利要求】
1.一種超空泡試驗(yàn)裝置，其特征在于:包括發(fā)射槍、發(fā)射槍保護(hù)罩、龍門架、水箱、水箱底座、空氣壓縮機(jī)、高速攝像機(jī)、可調(diào)節(jié)支架和高壓軟管、發(fā)光的刻度線，所述發(fā)射槍通過高壓軟管與空氣壓縮機(jī)連接，發(fā)射槍固定在龍門架頂部，槍口垂直向著水箱水面位置；所述水箱固定在水箱底座上，水箱底座上設(shè)置有滾輪和調(diào)節(jié)螺栓，使得水箱能沿著水平方向或垂直方向運(yùn)動(dòng)；所述高速攝像機(jī)設(shè)置在可調(diào)節(jié)支架上，所述發(fā)射槍的啟動(dòng)裝置與高速攝像機(jī)的觸發(fā)開關(guān)通過控制系統(tǒng)連接在一起，實(shí)現(xiàn)發(fā)射與攝像采集同步；所述發(fā)光刻度線一端連接在發(fā)射槍槍口外表面，刻度線另一端連接一個(gè)鉛錐球垂直進(jìn)入水箱。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種超空泡試驗(yàn)裝置，其特征在于所述發(fā)射槍為高壓空氣發(fā)射槍。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種超空泡試驗(yàn)裝置，其特征在于所述發(fā)射槍的槍管上設(shè)置有泄壓孔。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種超空泡試驗(yàn)裝置，其特征在于所述發(fā)射槍槍管距發(fā)射槍口 20mm內(nèi)的管壁上設(shè)置有若干個(gè)泄壓孔。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種超空泡試驗(yàn)裝置，其特征在于發(fā)射槍管內(nèi)通道的側(cè)壁上設(shè)置環(huán)狀模型固定點(diǎn)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種超空泡試驗(yàn)裝置，其特征在于所述發(fā)射槍管內(nèi)通道的上部設(shè)置有環(huán)狀模型固定點(diǎn)。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種超空泡試驗(yàn)裝置，其特征在于所述環(huán)狀模型與槍管內(nèi)側(cè)壁之間采用膠粘的方式固定。
8.根據(jù)權(quán)利要求5或7所述的一種超空泡試驗(yàn)裝置，其特征在于所述環(huán)狀模型尾緣與該環(huán)狀固定點(diǎn)進(jìn)行粘結(jié)。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種超空泡試驗(yàn)裝置，其特征在于所述可調(diào)節(jié)支架設(shè)置有三層，每層支架的距離為可調(diào)節(jié)。
10.根據(jù)權(quán)利要求1或9所述的一種超空泡試驗(yàn)裝置，其特征在于所述設(shè)置在可調(diào)節(jié)支架上的攝像機(jī)有三部，每一部攝像機(jī)各自設(shè)置在一層支架上。
【文檔編號(hào)】G01M10/00GK204154470SQ201420634447
【公開日】2015年2月11日 申請(qǐng)日期:2014年10月30日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月30日
【發(fā)明者】肖春華, 胡站偉, 陳輔政, 李征初, 秦三春 申請(qǐng)人:中國空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心低速空氣動(dòng)力研究所